劉軼男，李冬云，王金振，李 茂，孫致遠(yuǎn)，彭 磊，李 琦

(1 云南農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，昆明，650201；2 華寧縣柑桔科學(xué)研究所，云南華寧，652899；3 云南農(nóng)業(yè)大學(xué)園林園藝學(xué)院，昆明，650201)

華寧縣位于云南中部，氣候適宜柑桔生長，所產(chǎn)柑桔果實(shí)口感好、品質(zhì)優(yōu)、產(chǎn)量高，比省外其他柑桔產(chǎn)區(qū)早成熟40～60 d[1-5]。目前華寧柑桔的灌溉方式以微噴灌為主。與傳統(tǒng)灌溉(用橡皮管引水澆灌)相比，自動(dòng)控制微噴灌和手動(dòng)控制微噴灌可節(jié)水53%和42%[6]。根域灌溉技術(shù)類似于地下滲灌，通過埋在土壤下的根灌管直接將水分送達(dá)植物根域，通過自動(dòng)控制可定時(shí)定量進(jìn)行灌溉，避免了水沿土壤表面的流失、因蒸發(fā)而損失以及浸濕土壤表層的無效灌溉損失，可進(jìn)一步提高水肥利用率。華寧縣華溪鎮(zhèn)的柑桔主要種植區(qū)位于曲江(珠江上游支流)干熱河谷地區(qū)，春季和初夏較為干旱，這一時(shí)期的需水量較大，確保有效灌溉對全年柑桔生產(chǎn)具有重要意義。自2016年開始，作者研究團(tuán)隊(duì)在華寧縣農(nóng)業(yè)局亞熱帶水果示范園(位于華溪鎮(zhèn)斑茅棵)內(nèi)，測定柑桔根系吸水的最佳范圍，構(gòu)建水肥藥一體化根域精準(zhǔn)自動(dòng)灌溉系統(tǒng)，以期為柑桔產(chǎn)業(yè)的節(jié)本增效提供技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)園概況自2016年開始進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)地點(diǎn)在華寧縣亞熱帶水果示范園內(nèi)，地理坐標(biāo)為北緯24°58′、東經(jīng)103°19′，海拔1 223 m，年日照時(shí)數(shù)2 190 h，年平均氣溫19.5 ℃，年平均地面溫度18.9 ℃，常年無霜期350 d，年平均相對濕度70%～80%，該地區(qū)屬干熱河谷氣候。試驗(yàn)園地勢為南高北低坡度約為10°，上層(0～30 cm)土壤為保水性能較差的砂壤土，下層(30～45 cm)土壤為風(fēng)化石居多的礫類土，45 cm以下多為石塊。以4年生興津溫州蜜柑(枳砧)開始進(jìn)行根域灌溉技術(shù)與微噴灌灌溉技術(shù)研究與試驗(yàn)，根域灌溉地面積4 695 m2，微噴灌灌溉地面積1 467 m2。定植株行距為1.5 m×2 m。

1.2 根域灌溉系統(tǒng)構(gòu)成灌溉系統(tǒng)前端有兩個(gè)水肥罐接收來自蓄水池(或水庫)經(jīng)過沉淀過濾的水，一個(gè)存水量3 m3，另一個(gè)存水量5 m3，兩個(gè)均可以在罐內(nèi)攪拌所需比例混合均勻的水肥液，水肥液或灌溉水出罐后分別經(jīng)過8根主出水管道輸送至柑桔地，同時(shí)控制室內(nèi)的電控柜通過控制主出水管上的電磁閥和水泵的開關(guān)可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)灌水施肥(見圖1和圖2)。

灌水時(shí)有自動(dòng)、手動(dòng)兩種模式可以選擇。自動(dòng)模式下，根據(jù)土壤濕度傳感器返回的數(shù)值是否達(dá)到設(shè)定值來自動(dòng)進(jìn)行灌溉的啟停。手動(dòng)模式下，根據(jù)柑桔樹實(shí)際的生長情況手動(dòng)開啟或關(guān)閉灌溉系統(tǒng)(見圖3)。

圖1 控制室與水肥罐

圖2 控制室管路布置

圖3 控制室內(nèi)電控柜控制面板

自動(dòng)灌水模式：自動(dòng)灌水程序啟動(dòng)→水罐進(jìn)水閥啟動(dòng)→管道增壓離心水泵→流量計(jì)開始工作→電磁閥開啟→達(dá)到土壤濕度傳感器設(shè)定值后增壓泵、電磁閥等停止運(yùn)行5秒后依次關(guān)閉→自動(dòng)灌水程序關(guān)閉。

自動(dòng)施肥模式：對所需施肥量(此處是根據(jù)水肥配比來確定水量)以及攪拌電機(jī)運(yùn)行時(shí)間進(jìn)行設(shè)定。其中3 m3、5 m3水罐均為水肥攪拌罐，也均可作為灌溉儲水罐，自動(dòng)施肥與自動(dòng)灌水模式形成互鎖，互不干擾。

手動(dòng)灌水模式：打開人機(jī)交流平臺操作界面選擇手動(dòng)控制。點(diǎn)擊開啟3 m3或5 m3水罐進(jìn)水閥，進(jìn)行水罐儲水，之后則根據(jù)所需澆灌任務(wù)點(diǎn)擊相應(yīng)的管路灌水電磁閥即可，灌溉量控制則依據(jù)記錄顯示來進(jìn)行。

手動(dòng)施肥模式：點(diǎn)擊開啟3 m3或5 m3進(jìn)水閥，放入肥料液，點(diǎn)擊開啟攪拌電機(jī)進(jìn)行水肥混合攪拌，再點(diǎn)擊開啟施肥閥與所需灌溉相對應(yīng)的管路灌水電磁閥即可。

灌水器采用根灌管。根灌管采用環(huán)狀圍繞式，并在根灌管內(nèi)壁一圈均勻分布打8～10對穿孔后將其埋于地表面下15～20 cm深、距離樹干50～80 cm遠(yuǎn)的土壤里，它的主要作用是將水肥液或灌溉水均勻地分配到果樹根域附近的土壤。根灌管掩埋前需經(jīng)過出水均勻性檢查(見圖4)。

淺置土壤濕度傳感器埋于根灌管下方10 cm深(地表面下30 cm深)處，深置土壤濕度傳感器埋于根灌管下方25 cm深(地表面下45 cm深)處(見圖5)。在整個(gè)系統(tǒng)開啟的灌溉過程中，土壤濕度傳感器一直實(shí)時(shí)監(jiān)測，一旦出現(xiàn)自然降雨，使土壤濕度達(dá)到設(shè)定的預(yù)期值，則正在運(yùn)行的系統(tǒng)灌溉模式將立刻自動(dòng)停止運(yùn)行。

注：根域灌溉系統(tǒng)構(gòu)建于2015年，2016年改進(jìn)灌溉系統(tǒng)時(shí)拍攝照片。圖5同。

圖5 土壤溫濕度傳感器埋設(shè)深度與位置

1.3 土壤濕度傳感器校準(zhǔn)2016年12月，采用土壤烘干法測定土壤濕度，以此對土壤濕度傳感器進(jìn)行校準(zhǔn)。①將盛土用的鋁盒(直徑6 cm，高3 cm)洗凈烘干，放入干燥器中冷卻至室溫，迅速用測量范圍為1～100 g的普通天秤準(zhǔn)確稱重(W1)。②在試驗(yàn)地選取一塊柑桔樹滴水線下方區(qū)域挖剖面，剖面尺寸為立面40 cm(高)×30 cm(寬)，選擇已埋入地下用于自動(dòng)采集數(shù)據(jù)的傳感器廠商生產(chǎn)的手持式土壤濕度傳感器插入土壤中測量濕度并記錄數(shù)據(jù)，然后立即采取此傳感器附近區(qū)域土壤樣品約25 g放入鋁盒中，平鋪后蓋好，迅速稱重(W2)。③將裝入濕土的鋁盒的蓋子打開，鋁盒的蓋子平放在盒下，一同放入烘箱內(nèi)保持105～110 ℃，烘烤8 h，取出加蓋，放在干燥器中冷卻至室溫，迅速稱重(W3)。④準(zhǔn)備10個(gè)鋁盒，在試驗(yàn)地塊選取10株柑桔樹，灌水量分別按5、10、15、20、25、30、35、40、45和50 L在其滴水線附近用瓢沿著以樹干為中心寬為30 cm的環(huán)型帶均勻澆水(環(huán)型帶中心直徑100 cm)，澆水后10 min，在環(huán)型帶區(qū)域向下挖出剖面后，在離土壤表面深30～35 cm處按上述①、②、③進(jìn)行測量，記錄數(shù)據(jù)，最后按公式W=[(W2-W3)/(W3-W1)]×100%計(jì)算土壤含水量。式中：W—土壤含水量(%)；W1—鋁盒質(zhì)量(g)；W2—濕土加上鋁盒質(zhì)量(g)；W3—干土加上鋁盒質(zhì)量(g)。⑤整理出土壤濕度傳感器讀數(shù)值記為“土壤濕度值1”與土壤烘干法測定的土壤“實(shí)際濕度值”記為“土壤濕度值2”，結(jié)果如表1所示。根據(jù)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行線性回歸分析，得到土壤濕度值2(y)與土壤濕度值1(x)的回歸方程為y= 2.299 8x+ 0.007 6(R2= 0.998，p<0.001),以此方程校準(zhǔn)土壤濕度傳感器。

表1 不同灌水量下試驗(yàn)地土壤含水量與土壤濕度傳感器測定值 %

1.4 試驗(yàn)地旱季土壤含水量測定2016年12月，完成土壤濕度傳感器校準(zhǔn)后，及時(shí)進(jìn)行試驗(yàn)地土壤含水量測定。為探索試驗(yàn)地土壤含水量，充分利用已校準(zhǔn)的土壤水分傳感器和自動(dòng)灌溉系統(tǒng)的自動(dòng)灌溉功能進(jìn)行灌溉和數(shù)據(jù)采集，2016年12月16—23日每天夜間22：00至次日凌晨1：00執(zhí)行一次灌溉，埋設(shè)傳感器的試驗(yàn)地塊每株柑桔樹每次灌水5 L，每天灌水1次，一共灌溉7次。從每次灌溉前后傳感器測定值變化來看，澆水后濕度迅速上升，停止?jié)菜鬂穸染徛陆?。在連續(xù)執(zhí)行灌溉期間，用線性回歸方程校正的土壤濕度傳感器低值在27.936%，高值在43.534%?？梢?，試驗(yàn)地土壤保水能力較差。由于連續(xù)灌溉的7 d內(nèi)無降雨，灌水時(shí)間在夜間，因此可以確定在不灌水情況下，旱季試驗(yàn)地土壤含水量為28%～30%。

1.5 試驗(yàn)方法參照農(nóng)業(yè)部辦公廳印發(fā)的《水肥一體化技術(shù)指導(dǎo)意見》，結(jié)合試驗(yàn)地實(shí)際情況，將灌溉系統(tǒng)灌水及施肥均勻系數(shù)調(diào)校到0.8以上，濕潤深度為0.3～0.45 cm，試驗(yàn)地灌溉上限控制土壤含水量在85%，下限控制土壤含水量在55%，對應(yīng)的灌溉系統(tǒng)土壤濕度數(shù)據(jù)采集傳感器設(shè)定值上限為36.5%，下限為23.6%。

對比試驗(yàn)于2017年正式開始進(jìn)行。采用根域灌溉方式的柑桔地為試驗(yàn)地，采用微噴灌的柑桔地為對照地。試驗(yàn)地的自動(dòng)灌溉模式根據(jù)傳感器返回的數(shù)值自動(dòng)判斷是否進(jìn)行灌溉(土壤含水量小于55%開始灌溉，大于85%停止灌溉)，手動(dòng)灌溉模式則根據(jù)柑桔樹的實(shí)際生長情況來選擇關(guān)閉或者開啟。微噴灌地塊采用人工方式根據(jù)灌溉經(jīng)驗(yàn)來判斷是否灌水以及灌水量。微噴灌對照地在管口處安裝水表用以記錄灌水量，根域灌溉試驗(yàn)地由灌溉系統(tǒng)自動(dòng)記錄灌水量。同時(shí)，記錄試驗(yàn)地和對照地的肥料費(fèi)用、人工費(fèi)用、產(chǎn)量、產(chǎn)值等數(shù)據(jù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 灌水量比較試驗(yàn)結(jié)果看出，每年灌溉期的平均單株灌水量，采用根域灌溉的明顯低于微噴灌，節(jié)水79.7%～87.5%(見表2)。

表2 2017—2020年每年灌溉期不同灌溉處理平均單株灌水量L

2.2 肥料用量及費(fèi)用比較試驗(yàn)結(jié)果看出，在肥料大致相同的情況下，根域灌溉的肥料使用費(fèi)用明顯低于對照微噴灌溉(見表3)。由此可知，在根域灌溉模式下肥料節(jié)約效果明顯。

表3 每年不同灌溉處理肥料使用情況

2.3 產(chǎn)量比較根域灌溉試驗(yàn)地和微噴灌溉對照地均在2017年第一次掛果。2017—2020年每年單株產(chǎn)量均是根域灌溉明顯高于微噴灌溉，增幅為35.7%～111.1%。同時(shí)，根域灌溉的單株產(chǎn)量更加穩(wěn)定，其變異系數(shù)為13.67%，而微噴灌溉單株產(chǎn)量的變異系數(shù)為21.68%(見表7)。

2.4 經(jīng)濟(jì)效益比較根據(jù)實(shí)際保留植株所得的產(chǎn)值，扣除灌水、肥料、人工等實(shí)際損耗，換算單位面積(667 m2)的產(chǎn)值、成本與利潤(見表8)。與微噴灌溉相比，根域灌溉由于產(chǎn)量高(見表4)，產(chǎn)值也高。同時(shí)，根域灌溉除折舊費(fèi)略高于微噴灌溉外，其余費(fèi)用均低于微噴灌溉。因此，根域灌溉的利潤大大高于微噴灌溉，2017—2020年每年單位面積利潤分別增加2.14、1.45、3.27和0.52倍。

表7 2017—2020年每年不同灌溉處理的單株產(chǎn)量

表8 2017—2020年每年不同灌溉處理的產(chǎn)值、成本與利潤 元/ 667 m2

3 討論與結(jié)論

有研究表明，在柑桔生長的不同時(shí)期，如果能夠及時(shí)灌溉適宜的水量，則能提高單株產(chǎn)量和單果質(zhì)量[7]。目前，華寧縣在旱季時(shí)期主要采用微噴灌灌溉方式進(jìn)行柑桔園的灌溉。本研究表明，相比微噴灌，在華寧縣采用根域灌溉系統(tǒng)進(jìn)行根域灌溉，節(jié)水節(jié)肥效果更明顯，能夠進(jìn)一步增產(chǎn)增效。當(dāng)前，滴灌與微噴灌管網(wǎng)系統(tǒng)材料已基本實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化，根域灌溉系統(tǒng)構(gòu)建成本與滴灌和微噴灌系統(tǒng)構(gòu)建成本接近，具有較強(qiáng)的技術(shù)應(yīng)用推廣空間。